Регистрация / Вход
Прислать материал

Оценка экотоксичности и определение класса опасности буровых шламов методами биотестирования

Сведения об участнике
ФИО
Капелькина Людмила Павловна
ФИО (на английском языке)
Kapelkina L.P.
Название организации
НИЦЕБ РАН
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Биотестирование в нормировании и токсикологическом контроле
Название доклада
Оценка экотоксичности и определение класса опасности буровых шламов методами биотестирования
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Бардина Т.В., Чугунова М.В., Бардина В.И., Маячкина Н.В.
Аннотация
Буровые шламы (БШ) являются основным крупнотоннажным отходом, образующимся при бурении нефтяных скважин. Они складируются в шламовые амбары на кустовых площадках и могут отрицательно влиять на экологическую обстановку прилегающих территорий. Наряду с выбуренной из глубины горной породой, которая составляет 90-98% от общей массы складируемых отходов, БШ содержат большое количество веществ как природного (бентониты), так и техногенного происхождения. Это различные химические добавки – реагенты, позволяющие оптимизировать процесс бурения скважин. В результате взаимодействия горной породы с реагентами образуются новые сложные соединения с неясным химическим составом, поэтому определить класс опасности буровых шламов расчетным методом не представляется возможным. В этом случае основным способом, позволяющим оценить опасность буровых шламов для окружающей среды, наряду с определением химических показателей: рН, засоленности, радиоактивности, содержания нефтепродуктов, валовых и подвижных форм тяжелых металлов и др., является биотестирование на живых организмах разного уровня организации, то есть из разных систематических групп. Биотестирование основано на исследовании поведенческих реакций живых организмов, которые способны уловить стрессовое воздействие раньше, чем многие обычно используемые методы.
Ключевые слова
буровые шламы, токсичность, биотестирование, класс опасности
Введение

Основным отходом при устройстве нефтегазодобывающих скважин являются буровые шламы (БШ). Для решения вопроса об их токсичности или безопасности для окружающей среды проводят экотоксикологическую оценку и устанавливают класс опасности. В настоящее время основным способом, позволяющим оценить интегральную токсичность БШ, является биотестирование, в основе которого лежит определение реакции живых организмов на уровень техногенного воздействия и содержание загрязняющих веществ в буровом шламе [1].

В настоящее время известны десятки методик биотестирования почв, грунтов и отходов. Однако в Госреестр методов для государственного экологического контроля и мониторинга внесены не более 10 из них. Чаще всего класс опасности БШ определяют согласно приказу МПР № 536 от 04.12.2014 г. путем биотестирования водной вытяжки из отходов на двух организмах из разных систематических групп (элюатный метод) [2]. В то же время, по нашему мнению, сделать значимое заключение, опираясь только на результаты элюатных биотестов, не совсем правильно. В токсикологические исследования необходимо также вводить контактные методы биотестирования, которые обеспечивают непосредственный контакт тест-организма с исследуемым образцом и, таким образом, позволяют установить уровень воздействия твердых загрязнителей [3]. В виду того, что ни один вид не является универсальным индикатором при экотоксикологической оценке шламов необходимо проводить биотестирование с использованием нескольких тест-организмов. В зависимости от места проведения буровых работ приоритетными могут быть те или иные методы и тест-организмы. Так, для заболоченных территорий Западной Сибири приоритетными тест-организмами должны быть гидробионты: дафнии, цериодафнии, инфузории, икринки аквариумных рыб. Для других районов с более сухими местообитаниями, таких как Башкирия и Татария, более целесообразным является биотестирование с использованием млекопитающих – мышей, крыс, клеток крупного рогатого скота, а также биотестирование, основанное на использовании семян высших растений и микроорганизмов.

Целью наших исследований являлась экотоксикологическая оценка БШ с помощью аттестованных методик контактного и элюатного биотестирования, в том числе разработанными в НИЦЭБ РАН, с использованием тест-организмов различного уровня организации.

Методы и материалы

Объектами исследования являлись пробы буровых шламов, образующиеся при бурении нефтяных скважин на одном из месторождений Западной Сибири. Сложный многокомпонентный состав БШ обусловил необходимость проведения для их экотоксикологической оценки серии биотестов (элюатных и контактных) с использованием в качестве тест-культур гидробионтов, семян высших растений и микроорганизмов.

В серии элюатных биотестов были использованы методики токсикологического анализа, включенные в Федеральный реестр, где в качестве тест-организмов применялись представители гидробионтов: дафнии [4] и инфузории [5]. Для биотестирования использовалась водная вытяжка из проб БШ в соотношении 1:10. Критерием острой токсичности вытяжки на дафниях является гибель 50% и более особей в тестируемых пробах по сравнению с контролем (культивационная вода) за период времени до 96 часов. По результатам проведенного тестирования и кратности разведения водной вытяжки определялся класс опасности БШ. Параметры поведенческой реакции инфузорий определяли с помощью прибора «Биотестер-2». Критерием токсичности служил индекс – безразмерная величина (Т), принимающая значения от 0 до 1 в соответствии со степенью  токсичности анализируемой пробы.

Контактное биотестирование проводилось непосредственно в пробах БШ с использованием аттестованных методик, разработанных нами в НИЦЭБ РАН для буровых шламов, в которых в качестве тест-культуры использовались семена пшеницы мягкой [6] и природный комплекс микроорганизмов, содержащийся в самих исследованных БШ [7]. Фитотоксический эффект согласно методике [6] определяется путем сопоставления показателей тест-функции (всхожести- N1 и длины корней проростков семян - N2) в контрольном и опытных вариантах. Критерием определения класса опасности по результатам микробных биотестов служили статистически значимые различия между максимальным суточным уровнем выделения CO2 микроорганизмами, содержащимися в БШ и контрольном субстрате, после добавления в них глюкозы. Контролем при контактном биотестировании служили образцы нетоксичной природной глины. Согласно данным методикам определяются 5 классов опасности отходов.

Полученные результаты

Проведенное биотестирование на дафниях показало, что водные вытяжки из всех проб буровых шламов не оказывали угнетающего действия (количество выживших особей в этих вариантах достоверно не отличались от контроля). Таким образом, согласно Приказу МПР РФ № 536 от 04.12. 2014 г пробы проанализированных БШ являются нетоксичными и могут быть отнесены к V классу опасности отходов.

Результаты биотестирования проб на инфузориях представлены в табл.1. Как свидетельствуют приведенные данные, водные вытяжки из БШ №№ 1, 2, 3, 6 для использованной тест-культуры являлись нетоксичными. Водные вытяжки проб БШ № 4 и № 5 оказались токсичными и требовали разведения. Разбавление вытяжки пробы № 5 в 10 раз снимало ее токсичность, а проба № 4 - требовала разведения в 100 раз. Таким образом, при биотестировании водных вытяжек из исследуемых проб БШ с использованием в качестве тест-организма инфузорий, установлено, что все исследуемые БШ, кроме БШ № 4, согласно «Критериям отнесения опасных отходов…», [2], могут быть отнесены к V классу опасности (практически не опасные). И только БШ № 4 по результатам биотеста относится к IV классу опасности (малоопасные).

Таблица 1. Результаты биотестирование проб на инфузориях.

n=3, P=0,95, tst=2,78

№ пробы

Разведение экстракта (R)

Среднее значение показаний прибора, I

Среднее значение индекса токсичности, Т

td*

S**

Группа токсичности

Контроль

-

67,3

-

-

5,6

-

1

1 (без разведения

40,1

0,40

4,12

3,5

I

2

1

54,8

0,18

1,39

7,1

I

3

1

42,5

0,37

2,88

6,5

I

4

1

36,5

0,46

4,39

4,2

II

4

10

37,9

0,44

4,26

4,1

II

4

100

41,6

0,38

4,58

0,4

I

5

1

38,1

0,43

4,36

3,6

II

5

10

41,3

0,38

2,99

6,7

I

6

1

40,8

0,39

3,39

5,5

I

Примечание: td*- коэффициент достоверности; S** – ошибка среднего арифметического; I – допустимая степень токсичности (0,00 <T ≤ 0,40), II – умеренная степень токсичности (0,40 <T ≤ 0,70).

Влияние буровых шламов на всхожесть и прорастание семян высших растений представлено в таблице 2.

Таблица 2. Результаты фитотестирования буровых шламов на проростках высших растений (тест-культура – пшеница мягкая)

n=3, P=0,95, tst=2,78

 

Проба

Всхожесть

Корень

Класс опасности

%

N1

td

S

Длина,

мм

N2

td

S

Контроль

95

-

-

0,7

43,4

-

-

2,7

-

БШ-1

100

+5,3

7,07

0,0

36,6

-15,7

2,72

0,7

V

БШ-2

92,5

-2,6

1,31

1,8

35,4

-18,4

2,79

1,6

V

БШ-3

97,5

+2,6

1,31

1,8

24,0

-44,7

8,04

0,2

IV

БШ-4

100

+5,3

7,07

0,0

16,2

-62,7

11,08

0,5

III

БШ-5

97,5

2,6

1,31

1,8

26,8

-38,2

6,86

0,3

IV

БШ-6

92,5

-2,6

1,31

1,8

22,6

-47,9

8,66

0,1

IV

Примечание: td*- коэффициент достоверности; S – ошибка среднего арифметического; V- практически не опасные; IV- малоопасные; III- умеренно опасные

В результате проведенного биотеста было установлено отсутствие токсического воздействия проб БШ №№1 и 2 на всхожесть и длину корней проростков пшеницы. Следовательно, данные БШ являются практически не опасными (V класс). Результаты фитотестирования также показали, что БШ №№ 3,5,6 являются малоопасными (IV класс). Буровой шлам №4 показал явное угнетение роста корней. Согласно шкале токсичности по данной методике [6] БШ относится к умеренно опасным отходам (Ш класс). В то же время хотелось бы подчеркнуть, что при установлении 3-4 класса опасности отхода, на наш взгляд, необходимо проведение дополнительного опыта по хроническому фитотестированию, так как в нашей практике были варианты, когда вначале эксперимента  наблюдалась хорошая всхожесть и рост корней за счет питательных веществ, содержащихся в семени, и последующее угнетение всходов при переходе на субстратное питание.

В результате проведения микробных тестов было установлено, что активность комплекса микроорганизмов БШ №4 снижалась по сравнению с контрольным уровнем менее, чем на 20%, а активность БШ №№ 1,2,5,6 значительно его превышала, поэтому согласно разработанной шкале токсичности, данные БШ относятся к V классу опасности – практически не опасные (табл. 3). Интенсивность микробного дыхания БШ №3 была ниже уровня контроля более, чем на 20%. Поэтому данный БШ относятся к IV классу опасности – малоопасный.

Таблица 3. Максимальные значения суточного уровня выделения СО2 испытуемыми пробами после добавления глюкозы, мг СО2/100 г сухого образца, сутки.

n=4, P=0,95, tst=2,45

№ пробы БШ

Ср.

S

N

T

Класс опасности

К (чистая природная глина)

11,9

0,9

     

1

24,6

1,2

+101,7

8,47

V

2

34,2

0,9

+187,4

17,56

V

3

9,3

0,1

-21,8

2,86

IV

4

9,6

0,1

-19,3

2,53

V

5

41,0

2,1

+244,5

12,76

V

6

27,8

1,3

+133,6

10,06

V

Примечания: Ср. – среднее арифметическое значение параллельных измерений; S – ошибка среднего арифметического; t – критерий существенности различий; N – степень изменения биологической активности исследуемых проб БШ по сравнению с контрольным образцом

Заключение

Проведенные экотоксикологические исследования буровых шламов показали, что примененные биотест-системы характеризуются различной чувствительностью к присутствию разнообразных токсикантов.

Элюатное биотестирование БШ с помощью двух аттестованных методик на двух тест-организмах (дафнии и инфузории) выявило наличие умеренной токсичности лишь у одной исследуемой пробы. Поэтому при оценке экологического состояния таких сложных объектов, как БШ, использование только элюатных методов биотестирования недостаточно.

Проведение контактных биотестов с использованием двух аттестованных методик, разработанных в НИЦЭБ РАН, показало, что по сравнению с микроорганизмами семена пшеницы являются более чувствительной тест-культурой к наличию загрязняющих веществ в буровых шламах.

Таким образом, для объективной оценки качества буровых шламов в экотоксикологические исследования необходимо включать методы как элюатного, так и контактного биотестирования, и использовать в качестве тест-организмов представителей различных систематических групп.

Цитируемая литература
1. Капелькина Л.П., Чугунова М.В., Бардина Т.В., Малышкина Л.А. Биотестирование буровых шламов нефтяных месторождений //Экологический вестник России. №8, 2013. С.32-37.
2. Приказ МПР № 536 от 04.12.2014 «Критерии отнесения отходов к I - V классу опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду».
3. БардинаТ.В., Чугунова М.В. Методы контактного биотестирования городских почв //Руководство по изучению городской среды. Экологические и социально-психологические аспекты. Коллективная монография. Науч. ред. проф. Д.Н. Кавтарадзе. -М.: МГУ, 2015. –С.1-9. (СД-ROM). ISBN № 978-5-9904587-7-2.
4. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. ФР. 1.39.2007. 03222. М.: Акварос, 2007. 51 с.
5. ФР.1.31.2005.01882 (ред.2010 г.) и ПНД Ф Т 16.2:2.2- 98 (ред. 2010 г.) “Методика определения токсичности проб почв, донных отложений и осадков сточных вод экспресс-методом с применением прибора «Биотестер»; Свид. об аттестации №224.03.13.19/2010.
6. Методика определения класса опасности буровых шламов. М-БШ-02-2004. ФР.1.39.2004.01104.
7. Методика определения класса опасности буровых шламов. М-БШ-01-2004, ФР.1.39.2004.01061.
Благодарности
Не заполнено
Название, авторы, резюме (на английском языке)

Drill cuttings’ ecotoxicity evaluation and hazard class determination by biotesting methods

Kapelkina L.P., Bardina T.V., Chugunova M.V., Bardina V.I., Maychkina N.V.

St.-Petersburg Scientific Research Center for Ecological Safety RAS

The drill cuttings (DC) are the main large-capacity waste generated during oil well drilling. They are stored in sludge pits at well pads and may negatively affect the environment. DC, along with cuttings from the bottom of the rock, which is 90-98 % of the total landfilled waste, contain large amounts of substances both of natural (bentonite) and man-made origin. These are the different chemical additives, namely reagents to optimize the drilling process. As a result of interaction between the rock and reagents new complex compounds with uncertain chemical composition are formed. That’s why it doesn’t seem possible to determine the drill cuttings hazard class by calculation method. In this case, the biotesting on living organisms of different organization levels, along with certain chemical indicators: ph, salinity , radioactivity , oil concentration , total and mobile forms of heavy metals , etc., is the main method that allows to evaluate the drill cuttings environmental risk. The biotesting is based on the study of living organisms’ behavioral reactions that are able to capture the effects of stress earlier than many commonly used methods.